構(gòu)建中學(xué)物理闖關(guān)型教學(xué)模式促進(jìn)學(xué)生建模能力的水平進(jìn)階

摘 要：當(dāng)前高考應(yīng)試形勢(shì)下，部分師生只注重模型的硬性記憶、生搬硬套，學(xué)生難以形成真正的建模能力.以學(xué)習(xí)進(jìn)階理論為指導(dǎo)，借鑒游戲中的闖關(guān)理念，構(gòu)建了中學(xué)物理闖關(guān)型教學(xué)模式;并將該模式應(yīng)用于復(fù)習(xí)課“平拋模型”的教學(xué)實(shí)踐中.本模式有比賽、合作、自主、對(duì)比等闖關(guān)形式，學(xué)生在進(jìn)階問題鏈引導(dǎo)下逐級(jí)闖關(guān)，建模水平層級(jí)在闖關(guān)中逐級(jí)進(jìn)階發(fā)展.

關(guān)鍵詞：闖關(guān);建模;水平;進(jìn)階;能力

中圖分類號(hào)：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B 文章編號(hào)：1008-4134（2021）07-0028-04

作者簡(jiǎn)介：余耿華（1976-），男，廣東興寧人，碩士，中學(xué)高級(jí)教師，研究方向：中學(xué)物理學(xué)科教學(xué)、教學(xué)模式.

在中學(xué)物理教學(xué)中，師生們?cè)絹碓揭庾R(shí)到建模的重要性，但在應(yīng)試的教育體制下，導(dǎo)致部分師生只注重模型的硬性記憶、生搬硬套，長(zhǎng)此為往，學(xué)生思維慢慢僵化，很難形成真正的建模能力;另一方面，學(xué)生對(duì)游戲卻是欲罷不能、無師自通，學(xué)生的游戲思維進(jìn)階神速.為此，筆者嘗試以學(xué)習(xí)進(jìn)階理論為指導(dǎo)，借鑒游戲中的闖關(guān)理念，構(gòu)建了中學(xué)物理闖關(guān)型教學(xué)模式;并將該模式應(yīng)用于高三復(fù)習(xí)課“平拋模型“的教學(xué)實(shí)踐中，學(xué)生在逐級(jí)闖關(guān)中其建模水平逐級(jí)進(jìn)階發(fā)展.

1 相關(guān)概念的界定

1.1 學(xué)習(xí)進(jìn)階理論及中學(xué)物理闖關(guān)型教學(xué)模式

美國國家研究理事會(huì)（NRC） 將學(xué)習(xí)進(jìn)階理論定義為：“學(xué)習(xí)進(jìn)階是對(duì)學(xué)生連貫且逐漸深入的思維方式的假定描述.在一個(gè)適當(dāng)?shù)臅r(shí)間跨度下，學(xué)生學(xué)習(xí)和探究某一重要知識(shí)或?qū)嵺`領(lǐng)域時(shí)，思維方式逐漸進(jìn)階[1].”

中學(xué)物理闖關(guān)型教學(xué)模式：本模式以學(xué)習(xí)進(jìn)階理論為指導(dǎo)，借鑒游戲中的闖關(guān)理念，以學(xué)生原有的認(rèn)知為闖關(guān)基礎(chǔ)，以核心概念、規(guī)律或方法為主線，設(shè)計(jì)闖關(guān)，一般以教學(xué)內(nèi)容的模塊為大關(guān)，以具有思維進(jìn)階的問題鏈為一個(gè)個(gè)小關(guān)（學(xué)習(xí)進(jìn)階中的階）.闖關(guān)形式有比賽、合作、自主、對(duì)比等，學(xué)生在問題鏈引導(dǎo)下逐級(jí)闖關(guān)，科學(xué)思維水平在闖關(guān)中不斷進(jìn)階發(fā)展.本模式主要應(yīng)用在提升學(xué)生的科學(xué)思維水平層級(jí)，也可以應(yīng)用在提升學(xué)生物理核心素養(yǎng)的其他要素的水平層級(jí).

從以上闡述可知，學(xué)習(xí)進(jìn)階刻畫的是學(xué)生思維發(fā)展的過程，因此從這一理論出發(fā)，基于學(xué)生原有認(rèn)知基礎(chǔ)，根據(jù)學(xué)生認(rèn)知思維發(fā)展進(jìn)階的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)基于學(xué)生視角的具有思維進(jìn)階的闖關(guān)大關(guān)（任務(wù)）和小關(guān)（進(jìn)階問題鏈）是課堂活動(dòng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵.

該模式在實(shí)踐應(yīng)用中，可根據(jù)教情和學(xué)情需要，有針對(duì)性地選擇或融合多種闖關(guān)形式.在具體的一節(jié)課教學(xué)中，若學(xué)生遇到困難，可以自主揭開預(yù)先提供的錦囊（參考答案或提示），同時(shí)根據(jù)個(gè)性或共性的反饋情況，可以采用師生互助、小組互助等形式一起闖關(guān)，促進(jìn)學(xué)生自主而有個(gè)性的學(xué)習(xí).

1.2 建模的水平層級(jí)

2020年，教育部發(fā)布了《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》（以下簡(jiǎn)稱新課標(biāo)），新課標(biāo)尤其關(guān)注學(xué)生物理學(xué)科核心素養(yǎng)的提升，將科學(xué)思維中的建模能力按學(xué)業(yè)質(zhì)量要求進(jìn)行了如圖1所示詳細(xì)的水平層級(jí)劃分[2-3].

2 闖關(guān)型教學(xué)模式——水平進(jìn)階案例

本文以高三復(fù)習(xí)課“平拋模型”為例的闖關(guān)過程總框架如圖2所示.

2.1 大闖關(guān)一：自主闖關(guān)，整合知識(shí)框架

新課標(biāo)理念之一是引導(dǎo)學(xué)生自主學(xué)習(xí)，自主學(xué)習(xí)也是學(xué)生終身發(fā)展所必需的關(guān)鍵能力之一.在教學(xué)實(shí)踐中，我們應(yīng)該注意將大闖關(guān)（大任務(wù)）分解為若干進(jìn)階的小關(guān)（小任務(wù)），可以將闖關(guān)過程中的小關(guān)答案或提示變成錦囊，放在臺(tái)面的小盒子里，學(xué)生不會(huì)時(shí)可以通過錦囊，也可以適時(shí)通過師生互助、同伴互助繼續(xù)自主闖關(guān)，讓學(xué)生能自主闖關(guān)、喜歡自主闖關(guān)，在闖關(guān)過程中找到興趣和信心，不斷促進(jìn)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力提升.自主闖關(guān)宜設(shè)計(jì)在較簡(jiǎn)單的任務(wù)中.

闖關(guān)基礎(chǔ)：學(xué)生在日常生活中常見一些平拋運(yùn)動(dòng)，高一已經(jīng)學(xué)習(xí)過平拋運(yùn)動(dòng)，本節(jié)課定位是復(fù)習(xí)課;學(xué)生已有處理曲線運(yùn)動(dòng)的基本方法，如化曲為直.但學(xué)生習(xí)慣于死記模型，往往未能將實(shí)際的平拋運(yùn)動(dòng)與平拋模型聯(lián)系起來，缺乏對(duì)動(dòng)力學(xué)具體問題具體分析的習(xí)慣.

闖關(guān)情境設(shè)置：

小關(guān)1：請(qǐng)水平拋出一個(gè)粉筆頭，觀察粉筆頭做什么運(yùn)動(dòng)？回答以下幾個(gè)問題？（有條件的小組或?qū)W?？梢杂檬謾C(jī)慢拍粉筆頭做平拋運(yùn)動(dòng)的視頻，并按一定時(shí)間間隔展示平拋運(yùn)動(dòng)的軌跡）

小關(guān)2：請(qǐng)只用米尺測(cè)出粉筆頭做平拋運(yùn)動(dòng)的初速度v0？

小關(guān)3：一般如何處理曲線運(yùn)動(dòng)？

小關(guān)4：請(qǐng)通過計(jì)算求出t=1s時(shí)粉筆頭的速度v1和位移？（注意矢量有大小和方向）

小關(guān)5：請(qǐng)通過計(jì)算求出水平位移x=1m時(shí)粉筆頭的速度.

小關(guān)6：思考處理曲線運(yùn)動(dòng)與直線運(yùn)動(dòng)的方法有何不同？

設(shè)計(jì)意圖：小關(guān)1，通過學(xué)生動(dòng)手做身邊常見、簡(jiǎn)易的實(shí)驗(yàn)，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)物理的興趣，讓學(xué)生逐步意識(shí)到生活中處處體現(xiàn)物理的觀念—小關(guān)2、小關(guān)3，引導(dǎo)學(xué)生領(lǐng)悟基本的“化曲為直”的思想方法，培養(yǎng)學(xué)生利用所學(xué)知識(shí)和日常生活物品解決實(shí)際問題的能力—小關(guān)4、小關(guān)5，通過闖一個(gè)個(gè)小關(guān)，引導(dǎo)學(xué)生自主梳理基礎(chǔ)知識(shí)，自主構(gòu)建平拋運(yùn)動(dòng)的基本模型—小關(guān)6，完善直線運(yùn)動(dòng)和曲線運(yùn)動(dòng)的知識(shí)框架.

本闖關(guān)通過將呆板的模型計(jì)算轉(zhuǎn)化為以簡(jiǎn)單實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的一個(gè)個(gè)小關(guān)，讓學(xué)生能闖關(guān)、愛闖關(guān)，真真切切地體驗(yàn)到自主闖關(guān)的樂趣.

2.2 大闖關(guān)二：基礎(chǔ)應(yīng)用模型

通過比賽闖關(guān)形式，更能調(diào)動(dòng)學(xué)生強(qiáng)烈的學(xué)習(xí)興趣，讓學(xué)生在全身心體驗(yàn)中內(nèi)化物理知識(shí)，培養(yǎng)實(shí)踐意識(shí).比賽闖關(guān)宜設(shè)計(jì)在較簡(jiǎn)單的模型應(yīng)用中.

闖關(guān)基礎(chǔ)：學(xué)生通過闖關(guān)一已具備了較完善的平拋運(yùn)動(dòng)模型，進(jìn)一步完善了有關(guān)直線運(yùn)動(dòng)、曲線運(yùn)動(dòng)的認(rèn)知結(jié)構(gòu).但學(xué)生的實(shí)踐意識(shí)仍欠缺.

闖關(guān)情境設(shè)置：

小關(guān)1：進(jìn)行如圖3所示的“套圈圈”游戲，要求投“圈圈”都是水平拋出的，投擲的位置距目標(biāo)的水平距離為2米，要套中目標(biāo)玩具，體驗(yàn)分別從不同高度水平拋出圈圈，其初速度應(yīng)如何控制？比賽哪組同學(xué)套中的圈較多.

小關(guān)2：比賽誰先用理論分析出你的實(shí)驗(yàn)結(jié)論.

設(shè)計(jì)意圖：小關(guān)1，創(chuàng)設(shè)比賽游戲情境，學(xué)生在“玩中學(xué)”，更易內(nèi)化知識(shí)、激發(fā)內(nèi)驅(qū)力、增強(qiáng)實(shí)踐意識(shí)—小關(guān)2，先現(xiàn)象再理論分析，符合學(xué)生的心理學(xué)認(rèn)知規(guī)律，促進(jìn)學(xué)生自發(fā)應(yīng)用平拋模型解決實(shí)際問題的能力.

本闖關(guān)希望通過將傳統(tǒng)的模型應(yīng)用轉(zhuǎn)變?yōu)閷W(xué)術(shù)游戲的比賽闖關(guān)，學(xué)生興趣濃厚，實(shí)踐意識(shí)增強(qiáng)，學(xué)生學(xué)以致用的自信心和自豪感增強(qiáng)，使學(xué)生的平拋建模水平自然進(jìn)階到水平2.

2.3 大闖關(guān)三：提升應(yīng)用模型

對(duì)比是科學(xué)探究的重要方法，對(duì)比是高階思維的重要行為，學(xué)生在對(duì)比中更容易領(lǐng)悟到問題的本質(zhì)，建模水平3要求學(xué)生能在熟悉情境中選出恰當(dāng)模型，因此選用對(duì)比闖關(guān)是一個(gè)很好的闖關(guān)形式.

闖關(guān)基礎(chǔ)：學(xué)生在前面的闖關(guān)中已構(gòu)建了平拋運(yùn)動(dòng)的基本模型，能夠進(jìn)行簡(jiǎn)單的應(yīng)用，達(dá)到平拋建模水平層級(jí)2;但學(xué)生仍容易受思維定勢(shì)影響，存在簡(jiǎn)單的生搬硬套模型情況，不敢、不愿用基本的動(dòng)力學(xué)分析方法解決實(shí)際問題.

闖關(guān)情境設(shè)置：

小關(guān)1：如圖4，S是光源，在此處水平拋出小鐵球，猜想小鐵球的影子在右邊墻壁做什么運(yùn)動(dòng)？

小關(guān)2：請(qǐng)用理論論證您的猜想.

視教情和學(xué)情可以給以下錦囊提示：

（1）0時(shí)刻的小球影子在哪里？

（2）某一時(shí)刻t，小球的影子在哪里？

（3）作幾何圖，利用相似三角形，分析得到小球的影子在豎直墻上的位移與時(shí)間的關(guān)系？

（4）根據(jù)以上式子，思考鐵球在墻上的影子做什么運(yùn)動(dòng)？

小關(guān)3：小鐵球影子在墻上若做勻變速直線運(yùn)動(dòng)，請(qǐng)求出其加速度;若做勻速直線運(yùn)動(dòng)，請(qǐng)求出其速度大小.

小關(guān)4：可否用現(xiàn)有的生活用品，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證您的理論分析結(jié)果（以4人為一組，課內(nèi)先設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，可以課后進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證）.

設(shè)計(jì)意圖：小關(guān)1，以學(xué)生身邊雖然常見、但易受思維定勢(shì)影響而引起認(rèn)知沖突的情境引入教學(xué)，有利于激發(fā)學(xué)生熱情—小關(guān)2，考慮到分析小關(guān)2臺(tái)階太大，有些學(xué)生可能無從入手，采用錦囊形式細(xì)分臺(tái)階，一步步引導(dǎo)學(xué)生如何通過具體分析、建構(gòu)模型，得到理論結(jié)果，讓學(xué)生從中領(lǐng)悟到建模更重要的是分析建構(gòu)模型的過程，而不是死記模型，進(jìn)而培養(yǎng)學(xué)生正確的建模觀念—小關(guān)3，進(jìn)一步提升學(xué)生定量分析問題的能力，提升修正模型的能力—小關(guān)4，鼓勵(lì)學(xué)生用身邊的生活用品，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，檢驗(yàn)?zāi)Ｐ?

本闖關(guān)通過設(shè)置學(xué)生熟悉而易錯(cuò)的情境，引起學(xué)生認(rèn)知沖突，提高學(xué)生恰當(dāng)選擇模型的能力，讓學(xué)生領(lǐng)悟到建模能力的提高更重要的是分析建模的過程，同時(shí)鼓勵(lì)學(xué)生用身邊的生活用品檢驗(yàn)?zāi)Ｐ?，使學(xué)生的平拋建模水平逐級(jí)進(jìn)階到水平3或以上.

2.4 大闖關(guān)四：創(chuàng)新應(yīng)用模型

新課標(biāo)倡導(dǎo)合作學(xué)習(xí)，合作是學(xué)生適應(yīng)社會(huì)發(fā)展的必備能力之一，合作學(xué)習(xí)包含師生合作、生生合作等形式.

闖關(guān)基礎(chǔ)：學(xué)生通過以上闖關(guān)，具備簡(jiǎn)單的模型應(yīng)用和在熟悉情境中恰當(dāng)選用模型的能力;但將實(shí)際情境轉(zhuǎn)化為平拋模型的能力仍有待提高.

闖關(guān)情境設(shè)置：

本闖關(guān)建議生生合作闖關(guān)，有一定難度，但是學(xué)生互助后能解決問題;學(xué)生在闖關(guān)過程中，可以先自己獨(dú)立思考，若遇到不會(huì)問題或做完后才在小組內(nèi)生生合作討論，提升模型遷移創(chuàng)新應(yīng)用的水平層級(jí).

小關(guān)1：（2019全國Ⅱ卷 1題）如圖5，兩金屬板P、Q水平放置，間距為d.兩金屬板正中間有一水平放置的金屬網(wǎng)G，P、Q、G的尺寸相同.G接地，P、Q的電勢(shì)均為φ（φ>0）.質(zhì)量為m、電荷量為q（q>0）的粒子自G的左端上方距離G為h的位置，以速度v0平行于紙面水平射入電場(chǎng)，重力忽略不計(jì).則粒子從射入電場(chǎng)至此時(shí)在水平方向上的位移大小？

小關(guān)2：粒子第一次穿過G時(shí)的動(dòng)能？

小關(guān)3：若粒子恰好從G的下方距離也為h的位置離開電場(chǎng)，則金屬板的長(zhǎng)度最短應(yīng)為多少？

小關(guān)4：反思模型應(yīng)用的基本步驟和方法？

設(shè)計(jì)意圖：小關(guān)1，創(chuàng)設(shè)實(shí)際情境，加入電場(chǎng)元素，忽略粒子重力，需要學(xué)生通過具體分析，從動(dòng)力學(xué)角度分析粒子做類平拋模型，促進(jìn)學(xué)生將實(shí)際問題轉(zhuǎn)化為模型的建模能力—小關(guān)2，需要學(xué)生從能量角度分析研究平拋模型，提高學(xué)生從大概念角度（力學(xué)三大觀點(diǎn)）去研究平拋模型—小關(guān)3，學(xué)生需要根據(jù)對(duì)稱性，遷移平拋模型的逆向過程，促進(jìn)學(xué)生模型遷移創(chuàng)新能力提升.

本闖關(guān)希望通過設(shè)置實(shí)際情境，將常見的平拋模型遷移到電場(chǎng)中的類平拋模型，同時(shí)還要遷移“對(duì)稱性”到類平拋模型中，使學(xué)生的平拋建模水平逐級(jí)進(jìn)階到水平4.

闖關(guān)情境設(shè)置：

本闖關(guān)建議師生合作闖關(guān)，適宜闖關(guān)難度較大的問題情境;在闖關(guān)過程中，學(xué)生先獨(dú)立思考，然后教師再適時(shí)指導(dǎo)提升，不斷提升學(xué)生模型遷移創(chuàng)新應(yīng)用的水平層級(jí).

小關(guān)1：（2020全國Ⅰ卷 2題）如圖6，在一柱形區(qū)域內(nèi)有勻強(qiáng)電場(chǎng)，柱的橫截面積是以O(shè)為圓心，半徑為R的圓，AB為圓的直徑，如圖所示.質(zhì)量為m、電荷量為q（q>0）的帶電粒子在紙面內(nèi)自A點(diǎn)先后以不同的速度進(jìn)入電場(chǎng)，速度方向與電場(chǎng)的方向垂直.已知?jiǎng)傔M(jìn)入電場(chǎng)時(shí)速度為零的粒子，自圓周上的C點(diǎn)以速率v0穿出電場(chǎng)，AC與AB的夾角θ=60°.運(yùn)動(dòng)中粒子僅受電場(chǎng)力作用.求該電場(chǎng)的電場(chǎng)強(qiáng)度大?。?/p>

小關(guān)2：為使粒子穿過電場(chǎng)后的動(dòng)能增量最大，該粒子進(jìn)入電場(chǎng)時(shí)的速度應(yīng)為多大？

小關(guān)3：為使粒子穿過電場(chǎng)前后動(dòng)量變化量的大小為mv0，該粒子進(jìn)入電場(chǎng)時(shí)的速度應(yīng)為多大？

小關(guān)4：反思解決實(shí)際問題的一般步驟和方法.

設(shè)計(jì)意圖：小關(guān)1，學(xué)生需要運(yùn)用具體的動(dòng)力學(xué)分析方法，將電場(chǎng)類比為重力場(chǎng)，而且在重力場(chǎng)中平拋的初速度水平方向需要遷移類比為初速度方向不水平但與電場(chǎng)力方向垂直情境—小關(guān)2，學(xué)生需要遷移電場(chǎng)力做功何時(shí)最大的知識(shí)才能正確求解，研究方法也從動(dòng)力學(xué)角度進(jìn)一步拓寬到能量角度—小關(guān)3，本關(guān)具有開放性，因?yàn)榱Ｗ蛹瓤梢匝谹C方向運(yùn)動(dòng)使其動(dòng)量增加mv0，也可以做類平拋運(yùn)動(dòng)使其動(dòng)量變化量大小mv0，同時(shí)需要學(xué)生研究問題的視角進(jìn)一步拓寬到動(dòng)量角度—小關(guān)4，師生一起總結(jié)、反思，進(jìn)一步提升學(xué)生從大概念（力學(xué)三大觀點(diǎn)）的視角構(gòu)建、應(yīng)用平拋模型的能力.

3 結(jié)束語

實(shí)踐表明，中學(xué)物理闖關(guān)型教學(xué)模式對(duì)于促進(jìn)學(xué)生的建模水平進(jìn)階能起到較好的作用，但并不能適用所有教學(xué)活動(dòng)，教學(xué)中用到的自主、比賽、對(duì)比、合作闖關(guān)也并非一定要按這個(gè)順序組織教學(xué)，在實(shí)際教學(xué)中要根據(jù)教情和學(xué)情，融合幾種闖關(guān)形式或只用其中的幾個(gè)闖關(guān)形式.本模式同樣可以嘗試用在物理核心素養(yǎng)的其他要素水平層級(jí)進(jìn)階的培養(yǎng)過程中.

參考文獻(xiàn)：

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（收稿日期：2021-01-04）